笨蛋学JUC并发编程-共享模型之无锁

本文主要是介绍笨蛋学JUC并发编程-共享模型之无锁，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

JUC并发编程-共享模型之无锁

4.共享模型之无锁
- - 问题：保证取款方法的线程安全
- 4.1CAS与volatile
- - 4.1.1volatile
  - 4.1.2注意
  - 4.1.3上下文切换
  - 4.1.4无锁效率高（多核CPU才能发挥优势）
  - 4.1.5CAS特点
- 4.2原子整数
- 4.3原子引用
- - 4.3.1安全实现-使用CAS AtomicReference
  - 4.3.2ABA问题及解决
  - 4.3.3AtomicStampedReference(维护版本号)
  - 4.3.4AtomicMarkableReference(仅维护)
- 4.4原子数组
- - 4.4.1不安全的数组
  - 4.4.2安全的数组
- 4.5字段更新器
- 4.6原子累加器
- 4.7Unsafe
- - 4.7.1案例

4.共享模型之无锁

问题：保证取款方法的线程安全

线程不安全

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;interface Account {// 获取余额Integer getBalance();// 取款void withdraw(Integer amount);/*** 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0*/static void demo(Account account) {List<Thread> ts = new ArrayList<>();long start = System.nanoTime();for (int i = 0; i < 1000; i++) {ts.add(new Thread(() -> {account.withdraw(10);}));}ts.forEach(Thread::start);ts.forEach(t -> {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});long end = System.nanoTime();System.out.println(account.getBalance() + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");}
}
-------------------------------------------------------------------------
//线程不安全
class AccountUnsafe implements Account {private Integer balance;public AccountUnsafe(Integer balance) {this.balance = balance;}@Overridepublic Integer getBalance() {return balance;}@Overridepublic void withdraw(Integer amount) {balance -= amount;}
}

线程安全1

class AccountUnsafe implements Account {//设置余额private Integer balance;public AccountUnsafe(Integer balance) {this.balance = balance;}@Overridepublic Integer getBalance() {synchronized (this){return this.balance;}}@Overridepublic void withdraw(Integer amount) {synchronized (this){this.balance -= amount;}}
}

无锁实现线程安全2

class AccountCas implements Account{private AtomicInteger balance;public AccountCas(int balance) {this.balance = new AtomicInteger(balance);}@Overridepublic Integer getBalance() {return balance.get();}@Overridepublic void withdraw(Integer amount) {while (true){//获取余额的最新值int prev=balance.get();//要修改的余额int next=prev-amount;//真正修改if(balance.compareAndSet(prev,next)){break;}}}
}

4.1CAS与volatile

public void withdraw(Integer amount) {while(true) {// 需要不断尝试，直到成功为止while (true) {// 获取余额的最新值int prev = balance.get();//要修改的余额int next = prev - amount;if (balance.compareAndSet(prev, next)) {break;}}}
}

compareAndSet方法就是先比较当前线程获取的最新值和Account对象线程共享的变量值
- 若不一致，说明Account对象的值已经被修改了，这时我们再修改就没有按照当前最新的共享变量的值来修改，就会返回false表示失败
- 若一致，就使用next的值作为最新值，并且返回true表示成功

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。

在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

4.1.1volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。

volatile 可以用来修饰成员变量和静态成员变量，可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

4.1.2注意

volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）
CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

4.1.3上下文切换

就是线程从一个状态转为另一个状态，就会发生上下文切换
当线程发生上下文切换时，就会导致性能的效率降低

4.1.4无锁效率高（多核CPU才能发挥优势）

线程数不要超过CPU核心数，不然也会影响性能效率

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻
线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火,等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。

4.1.5CAS特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
- 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
- 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

4.2原子整数

JUC并发包提供了：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);// 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
System.out.println(i.getAndIncrement());// 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
System.out.println(i.incrementAndGet());// 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
System.out.println(i.decrementAndGet());// 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
System.out.println(i.getAndDecrement());// 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
System.out.println(i.getAndAdd(5));// 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
System.out.println(i.addAndGet(-5));// 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));// 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));// 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
// getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
// getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));// 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));

4.3原子引用

原子引用类型

AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference

public interface DecimalAccount {// 获取余额BigDecimal getBalance();// 取款void withdraw(BigDecimal amount);/*** 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0*/static void demo(DecimalAccount account) {List<Thread> ts = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < 1000; i++) {ts.add(new Thread(() -> {account.withdraw(BigDecimal.TEN);}));}ts.forEach(Thread::start);ts.forEach(t -> {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});System.out.println(account.getBalance());}}

4.3.1安全实现-使用CAS AtomicReference

class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {AtomicReference<BigDecimal> balance;public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {balance = new AtomicReference<>(balance);}@Overridepublic BigDecimal getBalance() {return balance.get();}@Overridepublic void withdraw(BigDecimal amount) {while (true) {//获取最新的值BigDecimal prev = balance.get();//获取取款金额，使用subtract方法减BigDecimal next = prev.subtract(amount);//获取最新的值跟线程共享变量最新的值是否一致if (balance.compareAndSet(prev, next)) {break;}}}}

4.3.2ABA问题及解决

static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");public static void main(String[] args) throws InterruptedException {log.debug("main start...");// 获取值 A// 这个共享变量被它线程修改过？String prev = ref.get();other();sleep(1);// 尝试改为 Clog.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
}private static void other() {new Thread(() -> {log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));}, "t1").start();sleep(0.5);new Thread(() -> {log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));}, "t2").start();}

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，如果主线程希望：只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号

4.3.3AtomicStampedReference(维护版本号)

通过设置的版本号来检查其他线程是否有修改

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {log.debug("main start...");// 获取值 AString prev = ref.getReference();// 获取版本号int stamp = ref.getStamp();log.debug("版本 {}", stamp);// 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象other();sleep(1);// 尝试改为 Clog.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
}private static void other() {new Thread(() -> {log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());}, "t1").start();sleep(1);new Thread(() -> {log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());}, "t2").start();
}

4.3.4AtomicMarkableReference(仅维护)

通过布尔值来判断是否被修改过

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");// 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);log.debug("主线程 start...");GarbageBag prev = ref.getReference();log.debug(prev.toString());new Thread(() -> {log.debug("打扫卫生的线程 start...");bag.setDesc("空垃圾袋");while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {}log.debug(bag.toString());}).start();Thread.sleep(1000);log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);log.debug("换了么？" + success);log.debug(ref.getReference().toString());}

4.4原子数组

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

/**参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组参数2，获取数组长度的方法参数3，自增方法，回传 array, index参数4，打印数组的方法
*/
// supplier 提供者 无中生有 ()->结果
// function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
// consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->
private static <T> void demo(Supplier<T> arraySupplier,Function<T, Integer> lengthFun,BiConsumer<T, Integer> putConsumer,Consumer<T> printConsumer ) {List<Thread> ts = new ArrayList<>();T array = arraySupplier.get();int length = lengthFun.apply(array);for (int i = 0; i < length; i++) {// 每个线程对数组作 10000 次操作ts.add(new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 10000; j++) {putConsumer.accept(array, j%length);}}));}ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程ts.forEach(t -> {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}); // 等所有线程结束printConsumer.accept(array);
}

4.4.1不安全的数组

demo(()->new int[10],(array)->array.length,(array, index) -> array[index]++,array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
);

4.4.2安全的数组

demo(()-> new AtomicIntegerArray(10),(array) -> array.length(),(array, index) -> array.getAndIncrement(index),array -> System.out.println(array)
);

4.5字段更新器

AtomicReferenceFieldUpdater // 域字段（只要是引用类型的就可以使用）
AtomicIntegerFieldUpdater （只要是整型类型的就可以使用）
AtomicLongFieldUpdater （只要是长整型类型的就可以使用）

利}用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，
否则会出现异常 Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Student stu = new Student();AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");updater.compareAndSet(stu, null, "张三");
}class Student{volatile String name;@Overridepublic String toString() {return "Student{" +"name='" + name + '\'' +'}';}
}

4.6原子累加器

private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {T adder = adderSupplier.get();long start = System.nanoTime();List<Thread> ts = new ArrayList<>();// 4 个线程，每人累加 50 万for (int i = 0; i < 40; i++) {ts.add(new Thread(() -> {for (int j = 0; j < 500000; j++) {action.accept(adder);}}));}ts.forEach(t -> t.start());ts.forEach(t -> {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});long end = System.nanoTime();System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
}

LongAdder和AtomicLong的使用对比
LongAdder的效率很显然是要大于AtomicLong的

for (int i = 0; i < 5; i++) {demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
}

4.7Unsafe

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得

public class UnsafeAccessor {static Unsafe unsafe;static {try { Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");theUnsafe.setAccessible(true);unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {throw new Error(e);}}static Unsafe getUnsafe() {return unsafe;}
}

4.7.1案例

public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");theUnsafe.setAccessible(true);Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);System.out.println(unsafe);// 1. 获取域的偏移地址long idOffset = unsafe.objectFieldOffset(Teacher.class.getDeclaredField("id"));long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(Teacher.class.getDeclaredField("name"));Teacher t = new Teacher();System.out.println(t);// 2. 执行 cas 操作unsafe.compareAndSwapInt(t, idOffset, 0, 1);unsafe.compareAndSwapObject(t, nameOffset, null, "张三");// 3. 验证System.out.println(t);
}@Data
class Teacher {volatile int id;volatile String name;
}